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第四章　非金属及其化合物
第14讲　第ⅣA族元素——碳、硅
复习要点　1.了解C、CO、CO2、H2C2O4性质和应用。2.掌握Si、SiO2性质和应用。3.掌握硅酸盐材料、新型无机非金属材料的性质和应用。
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考点1　C、CO、CO2、H2C2O4
1. 碳单质
笔记：碳单质涉及同素异形体、晶体、作用力、杂化等，如（2023江苏）碳单质、晶体硅、SiC均为共价晶体（×）
同素异形体　
2. CO2与盐、碱溶液反应的定性、定量分析
（1）CO2与盐溶液反应时产物或现象的判断
（2）CO2与碱反应时产物的判断
CO2与单一组分反应的分析（以CO2通入NaOH溶液为例）
a.反应原理
b.用数轴表示
3. H2C2O4及其盐
笔记：①（2022河北）KMnO4与H2C2O4的反应中，Mn2＋既是还原产物又是催化剂（√）
②（1）（2023湖南）H2C2O4溶液、酸性KMnO4溶液，改变滴加顺序，反应现象没有明显差别（×）
（2）（2024山东）向酸性KMnO4溶液中加入草酸，紫色褪去，说明草酸具有还原性（√）
（4）MgC2O4等：微溶于水，由对应的可溶性金属盐与草酸铵在水溶液中作用得到，加热分解最终可得到对应的金属氧化物。
题组一　C、CO、CO2性质
A. a是最简单的有机化合物
B. b在高温下被SiO2氧化成e
C. d与血红蛋白结合的能力比O2强
D. 将氨气和e通入饱和食盐水中可得到m
B
解析：化合价为－4价的碳元素氢化物为CH4，是最简单的有机化合物，A正确；b是单质C，e是CO2，C在高温下被SiO2氧化成CO，不是CO2，B错误；d为CO，CO与血红蛋白结合的能力比O2强，C正确；e是CO2，将氨气和CO2通入饱和食盐水反应生成NH4Cl和NaHCO3，则可得到碳元素化合价为＋4价的盐m（NaHCO3），D正确。
2. （2025·邵阳第一次联考）某兴趣小组设计实验探究Ce－MnOx催化氧化CO的效率。回答下列问题：
[步骤Ⅰ]制备CO
解析：（1）根据装置图可知：装置A中盛放甲酸的仪器的名称为圆底烧瓶。
圆底烧瓶　
解析：（2）在装置A中HCOOH与浓硫酸混合加热反应制取CO，该气体中含有HCOOH蒸气，用NaOH可以吸收挥发出的HCOOH蒸气。
吸收挥发出的HCOOH蒸气
[步骤Ⅱ]检验CO
[步骤Ⅲ]探究Ce－MnOx催化氧化CO的效率
通入11.2 L（已折算为标准状况）的气体样品后，继续向装置内通入一段时间氮气，最终测得U形管内生成了0.152 4 g I2。
解析：（4）①一氧化碳被氧气氧化生成二氧化碳，能使澄清的石灰水变浑浊；
装置H中澄清石灰水变浑浊　
40％　
解析：③若未继续通入一段时间N2，部分CO存在于装置中，导致J中生成的I2偏小，则剩余的n（CO）偏小，所以被氧化的n（CO）偏大。
偏大　
减小气体样品
流速　
题组二　H2C2O4及其盐的性质
3. 探究草酸（H2C2O4）性质，进行如下实验。
实验 装置 试剂a 现象
① 澄清石灰水 产生白色沉淀
② 少量Na2CO3溶液（甲基橙） 最终溶液呈橙色
③ C2H5OH和浓硫酸 加热后产生的物质有香味
④ 酸性KMnO4溶液 溶液紫色变浅，最终消失
B
B. 实验②中投入草酸和Na2CO3的物质的量之比为2∶1，则可求得草酸：Ka1·Ka2＜Kw
C. 实验③中反应后所得有机产物不止两种
4. （2025·上饶一模）草酸（H2C2O4）又名乙二酸，是一种有机酸，易溶于水，广泛存在于植物源食品中。
（1）在浓硫酸催化作用下，用硝酸氧化葡萄糖可制取草酸，实验装置如图所示：
解析：（1）①根据仪器的构造可知，仪器A的名称为恒压滴液漏斗。
恒压滴液漏斗　
（C6H10O5）n（淀粉）
取水解液少许于试管中，向试管中加入碘水，溶液不变蓝色
150　
解析：④浓硫酸具有强氧化性，会将部分有机化合物氧化成CO2；浓硫酸具有脱水性，会使部分有机化合物脱水炭化；H2C2O4不稳定，受热及遇浓硫酸会发生分解，故若该实验中催化剂浓硫酸用量过多，会使有机化合物脱水炭化，导致草酸产率减少。
浓硫酸具有强氧
化性，会将部分有机化合物氧化成CO2；浓硫酸具有脱水性，会使部分有机化合物脱
水炭化
（2）草酸铁铵是一种常用的金属着色剂，制得的草酸铁铵晶体中往往会混有少量草酸。为测定（NH4）3Fe（C2O4）3·3H2O（M＝428 g·mol－1）的含量，进行下列实验：称取样品9.46 g，加稀硫酸溶解后，配成100 mL溶液。取20.00 mL配制的溶液，用浓度为0.200 0 mol·L－1的KMnO4溶液滴定至终点时消耗KMnO4溶液28.00 mL。
解析：（2）①KMnO4具有强氧化性，能腐蚀橡胶不能装在碱式滴定管中，用KMnO4标准溶液进行滴定应使用酸式滴定管。
酸式　
8.56　
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考点2　Si、SiO2、H2SiO3及其盐的性质和应用
1. 硅
笔记：①（2024海南）过量C与1 mol SiO2充分反应转移电子数目为3NA（×）
②（2023辽宁）研制了高效率钙钛矿太阳能电池，其能量转化形式：太阳能→电能（√）
2. 二氧化硅
笔记：①（2024广东）基于石英晶体振荡特性计时的石英表，其中石英的成分为SiC（×）
②（2022山东）高温下在熔融强碱性介质中用KClO3氧化MnO2制备K2MnO4，用瓷坩埚作反应器（×）
③盛放HF的为铅制容器，不能用玻璃容器
④（2023广东）千家万户通光纤，光纤的主要材质为Si（×）
3. 硅酸
（3）硅酸的制备及硅胶
H2O　
干燥剂
催化剂　
水玻璃　
（2）硅酸盐组成的表示
CaO·3MgO·4SiO2　
笔记：利用氧化物组成形式分析其性质，但不能认为是氧化物的混合物
题组一　Si、SiO2、H2SiO3及其盐的性质
A. SiO2能与HCl反应
B. 盛放Na2CO3溶液的试剂瓶能用玻璃塞
C. 硅胶吸水后可重复再生
D. 图中所示转化反应都是氧化还原反应
C
解析：SiO2能与氢氟酸反应是其特殊性质，不能与HCl反应，A错误；Na2CO3溶液能与玻璃中的SiO2反应生成Na2SiO3，将玻璃塞和试剂瓶黏合在一起，B错误；在图示转化关系中只有第一行的反应是氧化还原反应，其余均为非氧化还原反应，D错误。
2. 将Si、SiO2、SiF4、H2SiO3、Na2SiO3填在下面字母对应处。
写出图中序号对应的化学方程式：
Si　
SiF4　
SiO2　
H2SiO3　
Na2SiO3　
CO2↑）
H2SiO3↓）
题组二　Si及其化合物的制备
3. （2023·湖北化学）工业制备高纯硅的主要过程如下：
B. 1 mol Si含Si—Si键的数目约为4×6.02×1023
C. 原料气HCl和H2应充分去除水和氧气
D. 生成SiHCl3的反应为熵减过程
B
检查装置
气密性
管式炉中没有固体剩余
C、D之间没有干燥装置，没有处理氢气的装置
解析：氯化氢气体通入浓硫酸干燥后，在管式炉中和硅在高温条件下反应，生成三氯甲硅烷和氢气，由于三氯甲硅烷沸点为31.8 ℃，熔点为－126.5 ℃，在球形冷凝管中可冷凝成液态，在装置C中收集起来，氢气则通过装置D排出同时D可吸收多余的氯化氢气体，据此解答。（1）制备SiHCl3时，由于氯化氢、SiHCl3和氢气都是气体，所以组装好装置后，要先检查装置气密性，然后将盛有硅粉的瓷舟置于管式炉中，通入氯化氢气体，排出装置中的空气，一段时间后，接通冷凝装置，加热开始反应。当管式炉中没有固体剩余时，则硅粉完全反应。SiHCl3易水解，所以需要在C、D之间加一个干燥装置，防止D中的水蒸气进入装置C中，另外氢氧化钠溶液不能吸收氢气，需要在D后面加处理氢气的装置。
（3）采用如下方法测定溶有少量HCl的SiHCl3纯度。
A B C D
高温
灼烧　
冷却　
AC　
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考点3　无机非金属材料
1. 传统无机非金属材料
水泥 玻璃 陶瓷
生产原料 石灰石、黏土① 纯碱、石灰石、石英砂 黏土②
主要设备 水泥回转窑 玻璃窑 陶瓷窑
变化 复杂的物理、化学变化过程 复杂的物理、化学变化③过程
纯碱、石灰石、石英砂
Na2CO3＋
CO2↑　
CaCO3＋
水泥 玻璃 陶瓷
组成 硅酸三钙（3CaO·SiO2）、
硅酸二钙
（2CaO·SiO2）、铝酸三钙（3CaO·Al2O3） 硅酸钠、硅酸钙、二氧化硅 硅酸盐④
用途 重要的建筑材料 制化学实验用的玻璃仪器、窗玻璃等 在工农业生产、科技、生活中使用广泛
笔记：①（2022湖南）石灰石是制造玻璃和水泥的主要原料之一（√）
②高考考向：陶瓷与传统文化、STSE结合，如（2023湖南）铜官窑彩瓷是以黏土为主要原料，经高温烧结而成（√）
③陶瓷烧制的过程为物理变化（×）
④（2024河北）青花釉里红镂雕盖罐主要成分是硫酸钙，透雕白玉璧主要成分是硅酸盐（√）
2. 新型无机非金属材料
高温结构陶瓷（如氮化硅陶瓷）、生物陶瓷、光导纤维等。
（1）
信息　
A. 金代六曲葵花鎏金银盏
B. 北燕鸭形玻璃注
C. 汉代白玉耳杯
D. 新石器时代彩绘几何纹双腹陶罐
解析：金代六曲葵花鎏金银盏是合金，属于金属材料；北燕鸭形玻璃注是玻璃制品，属于硅酸盐材料；汉代白玉耳杯是玉，属于含有微量元素的钙镁硅酸盐材料；新石器时代彩绘几何纹双腹陶罐是陶器，属于硅酸盐材料。
A
A. 青蓝色是由于生成了单质钴
B. 表面的釉属于有机高分子膜
C. 主要成分为铝硅酸盐
D. 铁元素的存在形式只有Fe2O3
解析：青花瓷经过高温烧制而成，含钴颜料主要成分为氧化钴，则不会生成单质钴，A项错误。青花瓷表面的釉为无机物，B项错误。青花瓷呈现青蓝色，不能确定其中铁元素的具体存在形式，D项错误。
C
解题感悟
含硅物质在生活中对应的产品
（1）硅：半导体材料、计算机芯片、集成电路、太阳能电池。
（2）二氧化硅：石英玻璃、水晶、玛瑙、光导纤维、石英坩埚。
（3）硅酸盐：玻璃、钢化玻璃、水泥、陶瓷、水玻璃。
A. 芯片制造所用的硅晶片
B. 潜艇降噪所用的橡胶消声瓦
C. 耐高温陶瓷生产所用的碳化硅
D. 通信信号传输所用的光导纤维
解析：芯片制造所用的硅晶片是单质硅，属于无机非金属材料，A不符合题意；橡胶是一种高分子有机化合物，B符合题意；碳化硅属于无机非金属材料，C不符合题意；光导纤维的主要成分是二氧化硅，属于无机非金属材料，D不符合题意。
B
A. 九霄环佩木古琴 B. 裴李岗文化骨笛
C. 商朝后期陶埙 D. 曾侯乙青铜编钟
C
解析：九霄环佩木古琴主要是由木材制成，A错误；裴李岗文化骨笛由动物骨骼制成，B错误；商朝后期陶埙属于陶瓷，由硅酸盐材料制成，C正确；曾侯乙青铜编钟主要由合金材料制成，D错误。
解题感悟
材料的分类及各类材料的典例
材料的分类
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限时跟踪检测
A B C D
青铜兽面纹爵 犀角雕玉兰花果纹杯 斫木云纹漆耳杯 清代彩绘龙纹蓝瓷壶
D
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解析：青铜属于合金，A不符合题意；犀角的主要成分属于蛋白质，B不符合题意；斫木的主要成分属于纤维素，C不符合题意；陶瓷的主要成分是硅酸盐，D符合题意。
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A. 富勒烯、石墨烯和碳纳米管等碳纳米材料均属于新型无机非金属材料
B. Si3N4俗称金刚砂，硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料
C. 神舟十四号载人飞船返回舱外表面使用的高温结构陶瓷的主要成分是硅酸盐
D. 二氧化硅常被用于制造光缆，是由于其导电能力强
解析：富勒烯、石墨烯和碳纳米管都是由碳元素组成的单质，均属于新型无机非金属材料，A项正确；SiC俗称金刚砂，硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料，B项错误；高温结构陶瓷的主要成分是氮化硅等，属于新型无机非金属材料，C项错误；二氧化硅不导电，可用于制造光缆是由于其具有优异的光学性能，D项错误。
A
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A. 钢化玻璃、石英玻璃及有机玻璃都属于无机非金属材料
B. 含溴化银的变色玻璃，变色原因与太阳光的强度和生成银的多少有关
C. 玻璃化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点
D. 普通玻璃的主要成分可表示为Na2O·CaO·6SiO2，说明玻璃为纯净物
B
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解析：钢化玻璃是在高温下将玻璃拉成细丝加入到合成树脂中得到的玻璃纤维增强塑料；石英玻璃主要成分是二氧化硅；有机玻璃主要成分是聚甲基丙烯酸甲酯，属于塑料，不是无机非金属材料，A错误。变色玻璃中含有的AgBr见光分解产生Ag单质和Br2单质，Ag单质可吸收可见光，使玻璃变色，光线弱时，溴与银又生成溴化银，可见变色原因与太阳光的强度和生成银的多少有关，B正确；玻璃的主要成分SiO2易与NaOH发生反应，因此不耐碱的侵蚀，C错误；普通玻璃的主要成分为Na2SiO3、CaSiO3、SiO2，硅酸盐结构复杂，习惯用氧化物形式表示，但玻璃表示为Na2O·CaO·6SiO2，不能说明玻璃为纯净物，D错误。
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A. 石英晶体存在硅氧四面体顶角相连的螺旋长链结构
B. 陶瓷是由氧化物组成的传统无机非金属材料
C. CaO遇水会生成Ca（OH）2，所以青釉器不可盛水
D. 青釉瓷器呈青色是因为瓷体中含有Fe2O3
A
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解析：石英晶体是以硅氧四面体（ ）为基本结构单元，顶角相连形成螺旋长链结构，A正确；陶瓷的主要成分是硅酸盐，只是可表示成氧化物形式，B错误；微量的CaO与硅酸盐在高温下熔合，但不能与水反应，陶瓷可以盛水，C错误；Fe2O3呈红棕色，青釉瓷器的青色与Fe2O3无关，D错误。
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a.反应①中SiO2作为玻璃的成分被消耗，用于刻蚀玻璃
b.反应②中SiO2表现出氧化性
c.反应③中SiO2表现了酸性氧化物的通性
d.反应④符合用难挥发性的酸酐制取易挥发性的酸酐的原理
e.反应⑤中SiO2既不是氧化剂也不是还原剂
A. ace B. bde C. cde D. ab
答案：B
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解析：二氧化硅是酸性氧化物，只能与氢氟酸反应，通常用氢氟酸来刻蚀玻璃，与之对应的反应是③，a、c判断错误；反应②是一个置换反应，其中二氧化硅被还原，表现出氧化性，b判断正确；反应④是一个复分解反应，用难挥发的二氧化硅制取易挥发的二氧化碳，d判断正确；反应⑤中碳的化合价由0价变为－4价和＋2价，硅和氧的化合价都没有改变，因此二氧化硅既不是氧化剂也不是还原剂，e判断正确。
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A. CO2、H2O和CH3OH均为极性分子
B. 反应涉及极性键与非极性键的断裂和生成
C. CO2中C、H2O中O和CH3OH中C所对应的键角依次减小
D
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解析：CO2为直线形分子，为非极性分子，A错误；反应不涉及非极性键的生成，B错误；CO2为直线形分子，键角为180°，H2O为V形分子，键角约为105°，CH3OH为四面体形分子，键角约为109°28'，键角不是依次减小，C错误；“CO2加氢制CH3OH”是熵减反应，且可在低温常压下实现，说明是放热反应，D正确。
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A. “高温转化Ⅰ”硅元素参与的反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶2
B. “净化”可将空气依次通过NaOH溶液、热还原铁粉、浓H2SO4
C. “洗涤”时酸洗可选用稀硝酸
D. SiO2中的Si—O键键能高于Si3N4中的Si—N键键能
B
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8. （2025·广东模拟）以叶蛇纹石[主要成分是Mg6（Si4O10）（OH）8，含少量Fe2O3、FeO、Al2O3等]为原料提取高纯硅的流程如图：
A. 反应2的副产物可作燃料
B. 反应3和反应4的副产物可循环利用
C. 反应2、3、4都是氧化还原反应
D. 上述流程中反应3和反应4可在同一容器中进行
D
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解析：如果反应3和反应4在同一容器中进行，不能达到提纯目的，反应温度不同，应利用反应3除去高熔点的杂质（如SiO2），然后将三氯硅烷蒸馏出来，D项错误。
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A. “还原”过程需要在高温条件下，该反应的还原产物只有Si
B. 为最大程度节约成本，上述生产工艺中能循环使用的物质有H2、HCl
C. “氧化”“分离”与“热解”的过程必须在无水、无氧的条件下进行
A
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解析：二氧化硅和金属镁在高温下反应生成氧化镁和硅，Si元素化合价降低，Si为还原产物，但镁和硅反应可生成Mg2Si，所以还原产物还可能含有Mg2Si，故A错误；该流程中H2、HCl既是反应物也是生成物，可循环使用，故B正确；为防止SiHCl3水解而损失及氢气爆炸，“氧化”“分离”与“热解”的过程均需要在无水、无氧的条件下进行，故C正确；由流程可知，在加热条件下Si和HCl反应生成SiHCl3，反应的化学方程式为Si＋3HCl SiHCl3＋H2，故D正确。
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10. （2025·聊城模拟）某学习小组拟探究CO2和锌粉反应是否生成CO，已知CO能与银氨溶液反应产生黑色固体。实验装置如图所示：
A. 装置e的作用是防倒吸
B. 如图所示装置的活塞K处于关闭状态
C. 实验结束时，先关闭活塞K，再熄灭酒精灯
D. b、c、f中的试剂依次为浓硫酸、饱和碳酸氢钠溶液、银氨溶液
B
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解析：装置e利用二氧化碳的密度大于空气的原理，其作用为分离二氧化碳和一氧化碳，选项A错误；启普发生器中的盐酸与碳酸钙未接触，则活塞K处于关闭状态，反应进行时a中盐酸浸没碳酸钙固体，b、c、f中有气泡冒出，选项B正确；实验结束时，先熄灭酒精灯，继续通二氧化碳，最后再关闭活塞K，选项C错误；b、c、f中的试剂依次为饱和碳酸氢钠溶液、浓硫酸、银氨溶液，选项D错误。
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11. 高纯硅是制作光伏电池的关键材料，如图是一种生产高纯硅的工艺流程示意图：
回答下列问题：
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A. Al B. CuO C. NaHCO3
C　

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1∶2　
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防止SiHCl3发生水解；防止硅被氧化；
防止氢气与氧气反应而发生爆炸（任意两条即可）　
各组分沸点相差较大　
H2、HCl　
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12. （2025·楚雄模拟）K3[Fe（C2O4）3]·3H2O（三草酸合铁酸钾）为亮绿色晶体。探究K3[Fe（C2O4）3]·3H2O的热分解产物。
[查阅资料]①碱石灰可用于吸收CO2、水蒸气。
②含有Fe2＋的盐溶液可与K3[Fe（CN）6]发生反应产生蓝色沉淀。
③含有Fe3＋的盐溶液可与KSCN发生反应生成红色溶液。
[提出问题]样品完全分解后，除水蒸气外还生成哪些产物？
[猜想与假设]
（1）猜想一：气体产物中含有CO。
猜想二：气体产物中含有CO2。
解析：（1）气体中可能含有水蒸气和一氧化碳，也可能含有水蒸气和二氧化碳，也可能含有水蒸气、二氧化碳和一氧化碳。
CO、CO2　
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[实验探究]
（2）探究气体产物。对气体产物进行探究，设计如图实验（夹持装置及部分装置省略）：
三　
解析：（2）二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊；加热条件下氧化铜和一氧化碳反应生成红色的铜和二氧化碳；因此猜想三正确。
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（3）探究固体产物。取K3[Fe（C2O4）3]·3H2O热分解后的固体产物（经实验证明无磁性物质）于试管中，加水充分溶解、过滤，再进行如表实验：
产生气泡　
产生蓝色沉淀
Fe2O3　
解析：（3）K2CO3与硫酸反应产生CO2气体，溶液产生气泡；含有Fe2＋的盐溶液与K3[Fe（CN）6]发生反应产生蓝色沉淀；含有Fe3＋的盐溶液与KSCN发生反应溶液变红。
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[实验结论]
解析：（4）结合上述分析，K3[Fe（C2O4）3]·3H2O的热分解产物有6种，包括水、一氧化碳、二氧化碳、氧化亚铁、氧化铁和碳酸钾。
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